(57)【要約】    【課題】  距離測定装置に於いて、簡単な受光光学系とし、而も遠距離測定、近距離測定のいずれでも高精度の測距を可能にする。    【解決手段】  測定対象物に測距光を投光し、該測定対象物からの反射測距光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距光を発する光源部１５と、該光源部からの測距光を投光する投光光学系１６と、該投光光学系と一部を共用し、入射集光された測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系１８とを具備し、該受光光学系は反射測距光が入射集光する中心部と、集光位置が中心部からずれるに応じて透過する光量を制限する孔明きマスク５３とを有する。    【選択図】          図１
2006047079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に測距光を投光し、該測定対象物からの反射測距光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距光を発する光源部と、該光源部からの測距光を投光する投光光学系と、該投光光学系と一部を共用し、入射集光された測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備し、該受光光学系は反射測距光が入射集光する中心部と、集光位置が中心部からずれるに応じて透過する光量を制限する孔明きマスクとを有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記孔明きマスクは、前記受光光学系の光軸を中心に設けられた中心開口部と該中心開口部に対して放射状に設けられた周辺開口部とを有する請求項１の距離測定装置。
【請求項３】
前記受光光学系は受光素子に反射測距光を導く受光ファイバを有し、前記孔明きマスクは前記受光ファイバの入射面に設けられた請求項１の距離測定装置。
【請求項４】
前記中心開口部は、反射測距光が平行状態で入射した場合の光束を透過させる形状である請求項２の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距光を測定対象物に投光し、該測定対象物からの反射測距光を受光して測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定装置に関し、特に測定対象物を自然物とし、コーナキューブ等のプリズムを使用しないノンプリズム方式の距離測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光波距離測定装置では、特許文献１に示される様に測定対象物に再帰反射プリズムを用い、測距光を再帰反射プリズムに投光して該再帰反射プリズムで反射された測距光を受光して距離測定を行っている。
【０００３】
図５により距離測定装置の概略を説明する。
【０００４】
図中、１は発光素子であり、該発光素子１から照射された測距光２はミラー３により投光光軸４の方向に偏向され、対物レンズ５を透って平行光束とされ、コーナキューブ６に向け投光され、該コーナキューブ６で反射された反射測距光７は前記対物レンズ５、集光レンズ８、ミラー９を経て受光素子１１に集光する様になっている。尚、図５中、１２は視準光学系を示す。
【０００５】
上記再帰反射プリズムを使用した距離測定装置では、測定対象物迄の距離の遠近に拘らず、反射測距光は略平行光の状態であり、距離測定装置に入射した反射測距光の集光位置は略同じとなり、前記受光素子１１での受光状態を考慮することなく、外乱光の影響も少なく確実に反射測距光を受光することが可能であった。
【０００６】
然し乍ら、測定対象物を設置する為の人手が必要であり、２人作業となると共に作業が繁雑となっていた。
【０００７】
又、近年では、受光装置の精度、感度の向上、測定方式の進歩等から、測定対象物に再帰反射プリズムを使用せず、ビルの壁面等自然物で直接反射された測距光を受光することで距離測定を行うノンプリズム方式の距離測定装置が普及している。
【０００８】
ノンプリズム方式の距離測定装置では測定対象物を自然物とすることで、測定対象物としてプリズムを設置する必要がなくなり、１人作業が可能になり、作業性が大幅に改善されるという利点がある。
【０００９】
ノンプリズム方式では測定対象物が自然物であり、自然物の表面からの拡散反射光を検出している。数百ｍの遠距離の場合、光学系に入射する拡散反射光は略平行光束である為、受光部の光学系は平行光束を集光する様に設定されている。数ｍの近距離測定では、拡散光も受光部に導かれる。射出光束と反射光束が同軸光学系の場合、中心部の平行光束部分は反射ミラーに遮られ、受光中心部を除くドーナッツ状に集光する。ドーナッツ状に集光した拡散光を受光部に導く為、例えば近距離用としての反射ミラーが設けられる。
【００１０】
１０ｍ前後の近距離でも同様にドーナッツ状に集光するが、拡散光を受光部に導く為反射ミラー等をある程度の近距離迄対応させるのは容易ではないことから、受光する部分はこれを受光できる様な大きさに設定されている。
【００１１】
遠距離からの受光光束は受光部の中心部に集光するが、受光部分はある程度の近距離にも対応できる大きさに設定されている為、周辺から外乱光が受光される。遠距離からの受光光量は微弱な為外乱光に埋もれてしまい、測定対象物からの反射測距光が検出不可となり、結果的に測距距離が短くなってしまう問題がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平４−３１９６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は斯かる実情に鑑み、ノンプリズム方式で簡単な受光光学系とし、而も遠距離測定、近距離測定のいずれでも高精度の測距を可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、測定対象物に測距光を投光し、該測定対象物からの反射測距光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距光を発する光源部と、該光源部からの測距光を投光する投光光学系と、該投光光学系と一部を共用し、入射集光された測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備し、該受光光学系は反射測距光が入射集光する中心部と、集光位置が中心部からずれるに応じて透過する光量を制限する孔明きマスクとを有する距離測定装置に係り、又前記孔明きマスクは、前記受光光学系の光軸を中心に設けられた中心開口部と該中心開口部に対して放射状に設けられた周辺開口部とを有する距離測定装置に係り、又前記受光光学系は受光素子に反射測距光を導く受光ファイバを有し、前記孔明きマスクは前記受光ファイバの入射面に設けられた距離測定装置に係り、更に又前記中心開口部は、反射測距光が平行状態で入射した場合の光束を透過させる形状である距離測定装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、測定対象物に測距光を投光し、該測定対象物からの反射測距光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距光を発する光源部と、該光源部からの測距光を投光する投光光学系と、該投光光学系と一部を共用し、入射集光された測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備し、該受光光学系は反射測距光が入射集光する中心部と、集光位置が中心部からずれるに応じて透過する光量を制限する孔明きマスクとを有するので、遠距離測定から近距離測定迄、外乱光の入光を制限しつつ反射測距光の受光を可能とし、簡単な構成で遠距離測定から近距離測定迄高精度の距離測定を実施できる。
【００１６】
又本発明によれば、前記孔明きマスクは、前記受光光学系の光軸を中心に設けられた中心開口部と該中心開口部に対して放射状に設けられた周辺開口部とを有するので、遠距離測定で反射測距光が平行状態で入射する場合は光量の制限が少なくなり、測距に必要な光量が得られると共に外乱光を制限し、更に近距離測定で反射測距光が平行でない状態で入射する場合は光束の周辺部分を受光可能とし、近距離測定も可能となる等の優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る距離測定装置の骨子を示すものであり、図中、１５は光源部、１６は投光光学系、１７は内部参照光学系、１８は受光光学系、１９は接眼光学系（望遠鏡）を示している。尚、前記距離測定装置は、プリズムを用いたプリズム測定法、プリズムを用いないノンプリズム測定法の両測定方法が可能となっている。
【００１９】
先ず、前記光源部１５について説明する。
【００２０】
レーザ光源２１は、例えば７８０ｎｍの赤外光の測距光を射出する。前記レーザ光源２１の光軸２０上に、第１コリメートレンズ２２、光路切替え手段２４が配設されている。
【００２１】
該光路切替え手段２４は第１光路２５、第２光路２６とを選択可能となっており、前記第１光路２５、前記第２光路２６は前記光路切替え手段２４により投光光軸２７に合致する様になっている。
【００２２】
前記光路切替え手段２４は、例えば菱形プリズム２８が回転可能に支持され、前記第１光路２５が選択されている状態では、前記レーザ光源２１からの測距光は前記菱形プリズム２８に入射し、該菱形プリズム２８で２回反射され、前記光軸２０と平行な状態で前記投光光軸２７に合致する。
【００２３】
前記第２光路２６は前記光軸２０の延長に合致しており、前記第２光路２６には第２コリメートレンズ２９、光ファイバ３１、該光ファイバ３１の射出端には第３コリメートレンズ３２が設けられ、該第３コリメートレンズ３２の光軸は前記投光光軸２７と合致している。
【００２４】
前記光路切替え手段２４が前記第１光路２５を選択している状態では、前記菱形プリズム２８の中心線が前記第１光路２５に合致しており、前記菱形プリズム２８の両端面はそれぞれ前記光軸２０、前記投光光軸２７上に位置する。前記レーザ光源２１から射出された測距光は、前記光路切替え手段２４の両端面で２回反射され、前記投光光軸２７上に射出される。
【００２５】
前記光路切替え手段２４が前記第２光路２６を選択している状態では、前記菱形プリズム２８が前記光軸２０から外れた状態となっている。前記レーザ光源２１から射出された測距光は、前記第２コリメートレンズ２９で集光されて前記光ファイバ３１の入射端から該光ファイバ３１に入射し、該光ファイバ３１から射出された測距光は前記第３コリメートレンズ３２で平行にされ、前記投光光軸２７上に射出される。
【００２６】
前記投光光学系１６について説明する。
【００２７】
前記投光光軸２７上にはビームスプリッタ３５、凹レンズ３６、第１光路偏向部材３７、第２光路偏向部材３８、対物レンズ３９が配設され、前記ビームスプリッタ３５と前記凹レンズ３６間には投光光量調整手段４１が設けられている。
【００２８】
該投光光量調整手段４１はステッピングモータ等の位置決め機能を有する光量調整モータ４２によって回転され、透過光量が円周方向で連続的に変化する光量調整板４３を具備し、該光量調整板４３は前記投光光軸２７を遮る様に設けられている。
【００２９】
前記凹レンズ３６は、該凹レンズ３６の焦点位置と前記対物レンズ３９の焦点位置とを合致させて配設されてあり、該対物レンズ３９と共にビームエキスパンダを構成しており、前記凹レンズ３６迄導かれた平行光束を拡大し投光できる様になっている。この為、前記ビームスプリッタ３５、前記光量調整板４３等の光学部材による影響を最小限に抑えることができる。又、前記レーザ光源２１を前記対物レンズ３９の焦点位置に配置する構造と比較し、投光効率が向上する。
【００３０】
前記ビームスプリッタ３５は前記レーザ光源２１からの測距光（赤外光）を略全透過すると共に一部を反射するものである。前記第１光路偏向部材３７、及び前記第２光路偏向部材３８は測距光を全反射するミラー等である。
【００３１】
前記内部参照光学系１７について説明する。
【００３２】
該内部参照光学系１７は前記光源部１５と後述する前記受光光学系１８間に設けられ、前記内部参照光学系１７は前記ビームスプリッタ３５の反射光軸に合致する内部参照用光軸４４を有し、該内部参照用光軸４４上にコンデンサレンズ４５、濃度フィルタ４６、ダイクロイックプリズム４７が配設されている。
【００３３】
前記投光光軸２７と前記内部参照用光軸４４間にチョッパ手段４８が掛渡って設けられている。該チョッパ手段４８は前記投光光軸２７と前記内部参照用光軸４４とを遮るチョッパ板４９及び該チョッパ板４９を回転させ、位置決め可能なチョッパモータ５１を具備している。前記チョッパ板４９が前記投光光軸２７を遮っている状態では前記内部参照用光軸４４が通過状態であり、前記チョッパ板４９が前記内部参照用光軸４４を遮っている状態では前記投光光軸２７が通過状態となっている。
【００３４】
而して、前記チョッパ板４９を回転させることで、前記光源部１５からの測距光が前記投光光軸２７に照射されるか、或は前記内部参照用光軸４４に内部参照光として照射されるか、択一的に選択される様になっている。
【００３５】
前記濃度フィルタ４６は、測定対象物からの反射測距光と内部参照光との光強度が略等しくなる様に、内部参照光の光強度を調整するものである。
【００３６】
前記受光光学系１８について説明する。
【００３７】
該受光光学系１８は前記内部参照用光軸４４の延長に合致する受光光軸５２を具備し、該受光光軸５２には前記ダイクロイックプリズム４７、マスク５３、受光ファイバ５４、第４コリメートレンズ５５、干渉フィルタ５６、集光レンズ５７、受光素子５８が配設される。該受光素子５８としては、例えばアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）が用いられ、前記干渉フィルタ５６は前記レーザ光源２１の発振波長帯を透過する様な特性を有している。前記受光素子５８が反射測距光を受光すると、受光信号は演算部６５に送出され、該演算部６５で受光信号に基づき測定対象物迄の距離が演算される。
【００３８】
前記対物レンズ３９は平行光束が入射した場合に、前記受光ファイバ５４の入射面に光束を集光させる様になっている。即ち、遠距離測定で前記光源部１５より投光されたレーザ光線が測定対象物で反射され、前記対物レンズ３９により光源像を前記受光ファイバ５４の反射測距光の入射面に結像する様になっている。又、該受光ファイバ５４の入射面の径は、近距離測定に対応できる入射面位置での反射測距光の光束の径と同等或はそれ以上となっている。
【００３９】
前記マスク５３は、図３に見られる様に前記受光ファイバ５４の入射面より充分大きい外径を有し、又前記受光光軸５２を中心とした中心開口部と該中心開口部に連続し、放射状に設けられた周辺開口部を有する。中心開口部としては光束通過孔８１が穿設され、又周辺開口部としては該光束通過孔８１の直径上に該光束通過孔８１より外方に延出するスリット孔８２が穿設されている。前記光束通過孔８１の直径Ｄは、平行光束が前記受光ファイバ５４の入射面に集光される場合の、前記マスク５３の位置での光束の径と同径、若しくは若干大きく設定されている。
【００４０】
前記接眼光学系１９について説明する。
【００４１】
該接眼光学系１９は接眼光軸６０を有し、該接眼光軸６０は前記ダイクロイックプリズム４７を透過する前記対物レンズ３９の光軸延長に合致している。前記接眼光軸６０上に、該接眼光軸６０に沿って移動可能に設けられた合焦レンズ６１、正立像に像を変換する正立プリズム６２、十字等の視準線が設けられた視準板６３、接眼レンズ６４が設けられている。
【００４２】
以下、作動について図４を参照して説明する。尚、図４中、７５は測定対象物を示し、実線は遠距離測定の場合の反射測距光の集光状態、２点鎖線は近距離測定の場合の反射測距光の集光状態を示している。
【００４３】
先ず、自然物である建物の壁面等を測定対象物７５としたノンプリズム距離測定を行う場合は、距離測定装置の操作部（図示せず）によりノンプリズム測定を選択する。ノンプリズム測定を選択した場合、前記菱形プリズム２８が前記第２光路２６、前記投光光軸２７を遮る様に位置決めされる。
【００４４】
前記接眼光学系１９により前記測定対象物７５を視準し、測定点を決定する。
【００４５】
前記レーザ光源２１で発せられた測距光は、前記菱形プリズム２８により光路が前記第１光路２５に偏向され、前記ビームスプリッタ３５を透過し、前記投光光学系１６により前記測定対象物７５に投光される。
【００４６】
投光される測距光のビーム径、広がり角は、発光源の大きさに依存する。前記レーザ光源２１の発光点は、半導体レーザ（ＬＤ）の場合、直径で３μｍ程度であり、広がりの少ない測距光が照射される。
【００４７】
前記投光光学系１６より前記測定対象物７５に測距光が投光され、該測定対象物７５で反射された反射測距光は反射面が一般に鏡面又は鏡面状ではないので、拡散されたものとなる。
【００４８】
又、前述した様に、測定対象物７５が遠距離の場合、例えば数百ｍ程度の距離測定では、距離測定装置に入射する反射測距光は拡散した光束の平行光部分のみであり、前記対物レンズ３９により前記受光ファイバ５４の入射面に集光される。又、前記光束通過孔８１の直径Ｄは、反射測距光が前記受光ファイバ５４の入射面に集光される条件で、光束の径と同径、若しくは若干大きく設定されているので、反射測距光は前記受光ファイバ５４の入射面に入射するが、投光光軸に対して角度をもつ外乱光は前記光束通過孔８１に遮断される。尚、前記スリット孔８２を通して外乱光が入射する可能性があるが、該スリット孔８２から入射する光量は光束通過孔８１より通過する光量に対して少なく、測距に影響を及すことは少ない。
【００４９】
次に、ノンプリズムで近距離を測定する場合、例えば１０ｍ程度迄の距離測定では距離測定装置に入射する反射測距光は平行光ではなく角度を持った光束となり、又集光していない状態で前記受光ファイバ５４の入射面に到達する。即ち、前記対物レンズ３９による反射測距光の集光位置は前記受光ファイバ５４の入射面の後方となる。従って、前記マスク５３位置での反射測距光の光束の径は、前記光束通過孔８１より大きくなる。
【００５０】
反射測距光の中心部は前記第２光路偏向部材３８によって遮られているので、反射測距光は中心部が欠けた光束となっており、従って前記光束通過孔８１を透しては反射測距光は前記受光ファイバ５４に入射しないか、或は充分な光量が入射しない状態が発生する。前記スリット孔８２は反射測距光の周辺部の一部を前記受光ファイバ５４の入射面に入射させる。
【００５１】
尚、光量は距離２乗で反比例する為、近距離測定では大光量が前記距離測定装置に到達する。例えば、測定対象物が５００ｍと１０ｍとでは遠距離測定に対して近距離測定では（５００／１０）2 ＝２５００倍の光量が得られる。従って、前記スリット孔８２で入射光量を制限しても測距に充分な光量が得られる。
【００５２】
而して、遠距離測定では外乱光の入射を抑制して反射測距光を前記受光ファイバ５４に導くことができ精度の高い測定が可能となり、又近距離測定では反射測距光が前記受光ファイバ５４の入射面に集光しなくても充分に光量が得られ、測定が可能である。
【００５３】
反射測距光が前記受光ファイバ５４に入射し、該受光ファイバ５４により前記第４コリメートレンズ５５迄反射測距光が導かれると、該第４コリメートレンズ５５で平行光束にされる。前記干渉フィルタ５６で外乱光がカットされ、前記集光レンズ５７により前記受光素子５８に集光される。該受光素子５８は、Ｓ／Ｎ比の大きい測距光を受光する。
【００５４】
前記光量調整モータ４２は距離測定に応じて前記光量調整板４３を回転させ、該光量調整板４３により射出される測距光の強度を調整し、測定対象物迄の距離に拘らず、前記受光素子５８が受光する反射測距光の強度が一定となる様にする。又、前記チョッパ手段４８は測距光が測定対象物に投光されるか、或は内部参照光として前記受光光学系１８に入射されるかを切替え、前記濃度フィルタ４６は内部参照光と反射測距光との光強度が略同一となる様に内部参照光の光強度を調整する。
【００５５】
前記受光素子５８は前記反射測距光と内部参照光の受光信号を前記演算部６５に送信し、該演算部６５は前記受光素子５８からの受光信号で測定対象物迄の距離を演算する。上記した様に、前記干渉フィルタ５６で反射測距光の波長帯を除く外乱光が除去されるので、前記受光素子５８が受光する反射測距光はＳ／Ｎ比が大きく精度の高い測距が可能となる。
【００５６】
プリズム距離測定を行う場合は、距離測定装置の操作部（図示せず）によりプリズム測定を選択する。プリズム測定では、測距範囲にあるプリズムを測定する為、ノンプリズム測定より広がり角の大きな光束が射出される。
【００５７】
プリズム測定を選択した場合、前記菱形プリズム２８が前記光軸２０から外れた状態に位置決めされる。
【００５８】
前記レーザ光源２１で発せられた測距光は前記第２コリメートレンズ２９で前記光ファイバ３１の入射面に集光され、入射される。該光ファイバ３１の射出端面は前記投光光軸２７上に位置しており、前記光ファイバ３１から射出する測距光は、前記第３コリメートレンズ３２により集光された後、前記ビームスプリッタ３５を透過し、前記投光光学系１６により測定対象物（コーナキューブ等の再帰反射プリズム）に投光される。
【００５９】
測定対象物から反射された測距光は、前記投光光軸２７上を経て前記対物レンズ３９より入射する。該対物レンズ３９により集光される。該対物レンズ３９を透過した反射測距光は、前記ダイクロイックプリズム４７に入射する。該ダイクロイックプリズム４７により反射された反射測距光は、前記受光ファイバ５４に入射する。該受光ファイバ５４により前記第４コリメートレンズ５５迄反射測距光が導かれ、該第４コリメートレンズ５５で平行光束にされ、前記干渉フィルタ５６で外乱光がカットされ、前記集光レンズ５７により集光され、前記受光素子５８に受光される。
【００６０】
尚、プリズム測定での測距でも、前記干渉フィルタ５６により外乱光がカットされることでＳ／Ｎ比が向上する。又前記第４コリメートレンズ５５が前記干渉フィルタ５６に入射する反射測距光を垂直入射の状態とし、反射測距光が前記干渉フィルタ５６により光量が減少されることがない様にする等については、ノンプリズム測定と同様である。
【００６１】
図２により前記光路切替え手段２４の一例について説明する。
【００６２】
前記菱形プリズム２８はプリズムホルダ６６により保持され、該プリズムホルダ６６からは回転軸６７が突出され、該回転軸６７を介して前記菱形プリズム２８が回転自在に支持されている。又、前記回転軸６７にはモータ（図示せず）、ソレノイド等のアクチュエータ（図示せず）が連結され、該アクチュエータにより前記菱形プリズム２８が前記第２光路２６、前記投光光軸２７に挿脱できる様所要角で回転される様になっている。
【００６３】
尚、前記スリット孔８２は１つの直径上に配設したが、複数の直径上に放射状に配設してもよい。又前記スリット孔８２と光束通過孔８１とは連続してなくてもよい。或は、前記スリット孔８２の代りに、小孔を複数穿設し、該小孔を透して反射測距光の周辺の光束を前記受光ファイバ５４に入射させる様にしてもよい。更に、前記スリット孔８２の形状も中心から外方に行くに従って幅広、或は幅狭となってもよい。更に又、前記マスク５３は前記受光ファイバ５４の入射面に直接設けてもよい。又、反射測距光を該受光ファイバ５４を介して前記受光素子５８に導いたが、前記受光ファイバ５４を省略して直接受光素子５８に反射測距光を入射させ、入射面を受光素子５８の受光面としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】該実施の形態で使用される光路切替え手段の要部説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。
【図３】該実施の形態で使用されるマスクの正面図である。
【図４】該実施の形態に於ける反射測距光の集光状態を示す説明図である。
【図５】従来の距離測定装置の光学系を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１５            光源部
１６            投光光学系
１７            内部参照光学系
１８            受光光学系
１９            接眼光学系
２１            レーザ光源
２４            光路切替え手段
２７            投光光軸
３８            第２光路偏向部材
３９            対物レンズ
４１            投光光量調整手段
５３            マスク
５４            受光ファイバ
５８            受光素子
【図１】
2006047079.tif 000003
【図２】
2006047079.tif 000004
【図３】
2006047079.tif 000005
【図４】
2006047079.tif 000006
【図５】
2006047079.tif 000007